5. Конструирование винтов.

5.1. Материалы для изготовления винтов.

Винты изготавливаются из сталей марок ст.4; ст.5; сталь 35. 40. 45. Эти материалы могут применяться нормализованными или улучшенными. При необходимости можно применять стали У10; 65Г; 40Х; 40ХН с объемной или поверхностной закалкой.

5.2. Определение формы и размеров винта.

Сконструировать деталь значит установить её форму и размеры.

5.2.1. Определение формы винта.

По структурной схеме (а в данных заданиях и по эскизу типовой конструкции) можно представить, какой формы должен быть винт и выполнить его эскиз.

Пример: определение формы винта домкрата. Очевидно, что основной

элемент конструкции винта 1 (рис 3.7 и 4.1.а) – стержень с резьбой. В верхней части этого стержня должна быть головка с поперечным отверстием, в которое свободно вставляется рукоятка 5.

На головку винта 1 опирается чашка 4. Во время работы домкрата винт вращается, а чашка нет. Чтобы чашка не соскочила с винта, из головки должна выступать ось для неё. Эскиз винта – рис. 5.1.

Обратите внимание: для того чтобы выполнить такой эскиз, нужны лишь соотношения размеров деталей: один больше, а другой должен быть меньше диаметра d резьбовой части стержня винта.

5.2.2. Некоторые особенности конструкций винтов, задаваемых для разработки механизмов

Задания № 1 и № 4.

Винт должен вращаться в неподвижной чашке и при этом давить на деталь через неё (рис. 3.1 и 3.4). А при хранении чашка не должна соскакивать с винта. Поэтому конструкцию решают подобно рис. 5.2 или 5.3.

Диаметр d_оп должен свободно проходить через гайку, т.е. он должен быть меньше внутреннего диаметра резьбы на 0,5-1мм.

Чтобы не создавать напряжений изгиба в стержне винта, торец А выполнен сферическим. Между торцом винта 1 и чашкой 4 нужно установить сферическую шайбу 3 (рис 5.2.б).

В конструкции на рис. 5.2.а чашке 4 не дают соскочить с винта 1 два сухарика 7 (кольцо разрезанное на две части), которые крепятся к ней винтами 8. Диаметр внутреннего отверстия в этих сухариках больше на 1-2мм диаметра проточки, но меньше d_оп.

Чашка должна свободно «болтаться» на винте т.е. d_р = d_оп + (1…2)мм и зазор δ₁ =(1…3)мм.

После того как винт 1 упрется в дно чашки 4, а чашка в деталь, должен остаться зазор δ₂ между торцевой поверхностью винта Б и сухариками.

В конструкции на рис. 5.3 вместо сухариков использованы два штифта 9, которые вставлены в боковые сверления чашки так, чтобы чашка не спадала с винта. Все остальное аналогично предыдущей конструкции.

Задания № 2 и № 3

В этих заданиях (рис. 3.2 и 3.3) винты заканчиваются внизу заострением.

Если этого не сделать, то плоский торец винта может соскользнуть с торца вала во время стягивания шкива или подшипника (т.к. винт вращается). При изготовлении валов обычно на их торцах выполняются конические центровые отверстия. В них и упирается заостренный конец винта. Размеры центровых отверстий см. в таблице 8.1.

Задание № 5

В этом задании (рис. 4.2) захват 4 должен шарнирно закрепляться на нижнем конце винта 1. Это сделано для того, чтобы захват мог устанавливаться

по торцу выталкиваемой втулки, не создавая дополнительных изгибающих нагрузок на винт. Конструктивное решение такого узла представлено на рис.5.5.б.

На нижнем торце винта 1 выфрезерован зуб (рис. 5.5.а). Ширина зуба Н₁ может быть больше диаметра винта.

Осью 9 захват 4 связан с винтом 1. Чтобы ось 9 не выскочила, поставлен шплинт 10.

Для обеспечения возможности покачивания захвата 4 вокруг оси 9 нужно чтобы С₁>0,5 R₁ и С₃>0,5 R₂.

Задание № 6

Рисунок 5.4: 1 - проточка для выхода инструмента.

Винт этого механизма устанавливается горизонтально на двух подшипниках скольжения (рис.5.4)

Диаметры d₂ = d + (2…4)мм; d₃ = d₁ - (2…4)мм.

Буртиком d₄ винт упирается в корпус механизма

d₄ = d₂ + (8…10)мм;

На посадочном месте d₅ будет находиться штурвал, а резьбовая часть d₆ нужна для установки шайбы и гайки, чтобы закрепить штурвал.

d₅ – определяется при выборе штурвала (см. п. 8.2)

d₆ – принимается: d₆ = d₅ - (2…4)мм.

Между резьбовой частью винта и посадочным местом d₂ и между поверхностями d₅ и d₆ имеется проточка для выхода инструмента (см. задание № 7 в этом разделе).

Задание № 7.

Для того, чтобы чашка 4 не потерялась при хранении домкрата на торце Б винта также закрепляется шайба. Но при этом чашка 4 не должна быть жестко зафиксирована на винте 1. Поэтому высота оси чашки должна быть больше толщины её дна на 1,5-2мм; d_o =10…16мм.

При нарезке резьбы на винте 1 нужно обеспечить выход инструменту (рис. 5.6). Иначе или инструмент будет поломан, или во время работы гайка заклинится и резьба её будет повреждена.

Диаметр канавки d_к берется равным внутреннему диаметру резьбы.

Ширина канавки b_к=(2..5)мм. А размер

b_п= (2…3)мм.

Диаметр переходного участка d_п=d или на несколько миллиметров больше.

D_г= (1,5…1,8)d – диаметр головки винта.

5.2.3. Определение размеров винтов в опасных сечениях.

Основным параметром винта является диаметр его в опасном сечении. Опасным сечением является сечение, в котором диаметр винта должен быть наименьшим.

Как установлено при анализе структурной схемы, винты работают на сжатие (растяжение) и кручение. Из условия прочности по этим видам деформаций ;

наименьший диаметр винта , мм *)

где К – коэффициент, учитывающий скручивание винта;

К =1,25…..1,35 –если винт скручивается только моментом в резьбе;

К =1,3…..1,5 –если винт скручивается суммарным моментом в резьбе и опоре;

А – площадь винта в опасном сечении;

– допускаемое напряжение при расчете на сжатие (растяжение);

, Мпа.

σ_Т – предел текучести, выбранного для изготовления винта материала;

n =(3..5) – коэффициент запаса прочности.

*) здесь и далее все результаты вычислений обозначаются штрихом, а все окончательно принятые значения параметра - без штриха. Например: -вычислено, – принято.

Коэффициент запаса прочности назначается в зависимости от степени опасности последствий отказа винта. Очевидно, что в случае съемника для втулок коэффициент запаса можно взять меньше, а в случае домкрата - больше. Полученное значение допускаемого напряжения нужно округлить до целого числа в меньшую сторону.

Значение вычисляется с точностью до сотых долей.

Если минимальным является внутренний диаметр резьбы винта (задания 2,3,6,7) и резьба по заданию стандартная , то по полученному значению из соответствующего стандарта подбирается такая резьба , у которой внутренний диаметр d₁ будет ближайшим большим к .

Если резьба нестандартная – прямоугольная , то параметры её назначаются . Обычно принимаются:

- округляется до целого четного числа в большую сторону и принимается как внутренний диаметр ;

шаг резьбы- ;

высота витка - ;

глубина нарезки - (рис. 4.1.б)

Если минимальным является диаметр проточки d пр (задания 1, 4; рис 5.2 и 5.3), то полученное из расчета значение округляется до ближайшего целого и принимается в качестве .

Внутренний диаметр резьбы: +(3,0…5)мм.

Затем, как описано выше, либо подбирают резьбу по стандарту, либо принимают её параметры.

В задании 5 винт работает на растяжение с кручением, а на нижнем конце его выполняется зуб (рис. 5.5.а) . Сечение зуба по плоскости А-А – прямоугольник, ослабленный отверстием под ось d₀. Сечение в месте перехода от винта к зубу В-В – прямоугольник. Сечение винта по внутреннему диаметру резьбы – круг. Все эти сечения должны быть равнопрочны. Для того, чтобы добиться этого нужно выполнить следующие операции.

Определить диаметр оси d₀, и диаметр отверстия проушины винта d_оз. (для задания №5)

Оси изготавливаются из среднеуглеродистых сталей: ст.4; стали 35, 40, 45, как правило, без термообработки. Если прочность оси будет недостаточна, то произойдет её срез по двум плоскостям «к-к» и «m-m» (рис 5.5.б).

Поэтому ( ) отсюда

, мм,

где [τ_ср] = (0,3…0,4)σ_т, МПа материала оси.

Полученную величину округляем в большую сторону до целого числа по ГОСТ 6636-83 «Нормальные линейные размеры в машиностроении»;

Диаметр отверстия в зубе принимается на 0,5…1 миллиметр больше диаметра оси: d_оз=d₀ +(0,5…1)мм

Расчет размеров проушины винта (для задания №5).

Ширина проушины «b» может быть:

Вариант №1 : меньше ( не менее 15 мм.), но тогда на конце винта выполняют зуб (рис 5.5.а).

Вариант №2: несколько больше наружного диаметра винта (см. лист задания и рис.5.7.)

Вариант №1

а) Определить толщину зуба «b».

На поверхности контакта деталей ось – зуб под нагрузкой возможно смятие ( ).

При расчетах на смятие цилиндрических поверхностей . Поэтому , мм.

где =0,8σ_т, МПа.

Полученное значение b' принимается равным ближайшему большему целому числу. Но делать b <15 мм не нужно.

б) Размеры зуба в сечении А-А (рис. 5.5.а)

Необходимо найти из условия прочности на растяжение:

Толщина «b» принята ранее (п.а)

Ширина , мм.

Округлить до ближайшего целого значения Н₁.

Тогда радиус скругления R₂=0,5 Н₁

С₄= 5мм. - размер обеспечивающий выход резьбонарезного инструмента.

в) Размеры зуба в сечении В-В (рис. 5.5.а)

Необходимо проверить прочность сечения при действии растягивающих нагрузок.

Толщина «b» принята ранее (п.а) , H₂=d₁- из удобства изготовления.

где d₁ - внутренний диаметр винта

Если условие прочности не выполняется, то необходимо увеличить толщину зуба.

Вариант №2:

Рис. 5.7.

Задаем ширину зуба b = d +(4…6)мм

Проушина винта в сечении А–А работает на растяжение:

,

Принимаем D_пр > b + (4…6 мм) .

5.2.4. Проверка винта на устойчивость.

Если винт сжат, то при гибкости λ ≥ 55 его необходимо проверить на устойчивость.

где μ – коэффициент приведения длины, учитывающий закрепление винта в опорах;

μ=1 – если оба конца винта закреплены шарнирно или один из них направляется гайкой;

μ= 2 – один конец винта свободен, второй направляется гайкой;

μ=0,5 – оба конца закреплены жестко.

При определении μ, если винт на опорах скольжения и в каждой опоре соотношение длины цапфы винта l_ц и её диаметра d_ц

,

то можно считать такие опоры шарнирными (задание № 6).

l_max– максимальная высота подъёма винта или наибольшее расстояние от гайки до торца винта;

i– радиус инерции сечения винта.

Для винтов можно принимать .

{Строго: где , }

Условие устойчивости при действии сжимающих нагрузок

где – допускаемое напряжение при расчете винта на сжатие (см. выше);

φ – коэффициент понижения допускаемого напряжения.

Величина φ принимается по таблице 5.1 в зависимости от гибкости винта λ .

Таблица 5.1

Значение коэффициента φ в зависимости от гибкости λ.

Если условие работоспособности не выполняется, то необходимо увеличить диаметр винта и повторить эту проверку.

5.2.5. Проверка условия самоторможения резьбы.

Резьбы, применяемые в рассматриваемых конструкциях, должны быть самотормозящимися. Иначе, как только рабочий перестает воздействовать на рукоятку, винт может начать вращаться в обратную сторону. Чтобы этого не случилось, должно выполняться условие φ ≤ ρ'

где - угол подъёма резьбы;

P и d₂ – шаг и средний диаметр резьбы;

- приведенный угол трения в резьбе;

α – угол наклона рабочей грани витка резьбы (рис. 5.8 в качестве примера трапецеидальная резьба);

f– коэффициент трения в резьбе;

Принимаем f_min=0,1, что соответствует слабой смазке.

Угол наклона рабочей грани:

α=0^o - прямоугольная резьба;

α=3^o - упорная резьба;

α=15^o - трапецеидальная резьба;

α=30^o - метрическая резьба.

Чтобы завершить конструкцию винта нужно определить его линейные размеры. Для этого нужно знать размеры чашки, гайки и некоторых других деталей пока ещё неизвестные. Поэтому определение линейных размеров винта см. п. 11 этого руководства.

В начало

Содержание

На главную